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1、安徽工程科技学院毕业设计（论文）引 言 温湿度参数是一些生产生活中重要的参数和控制目标，在现代生产生活中，温度和湿度的监测与控制有着十分重要的意义。传统的测试温度和湿度的方法是通过一定的测试仪器人工逐点进行检测，这种方法费时费力，效率低且误差大。本文介绍的检测装置不仅具有可以自动检测温度和湿度的功能，而且还可以通过键盘选择需要检测点对应的通道进行显示功能。不仅提高了传统温度和湿度的检测性能，而且还可以改变初始值对室内或者生产环境的温湿度进行控制，也可以使用于温湿度要求较高的场所，例如实验室，生产车间，仓库等使用都非常方便。近年，随着设施农业的迅猛发展，尤其是温室大棚，无土栽培，节水灌溉，工厂化
2、养殖等在生产上得到前所未有的大发展，实现了农业工厂化生产，企业化运作，但美中不足是智能化程度与智能化普及率过低。虽然也有不少单位或个人引进了一些国外的计算机智能控制系统，如温室环境控制系统，施肥灌溉控制系统，工厂化育苗智能系统等。也真正实现了数字化、智能化、自动化，但投资过大，系统故障维护不便，而且经济效益过低，许多农业高科技园区多存在这个制约瓶颈。实现农业智能化对于大部分农民来说还是可望而不可及。开发低价位实用型的农业智能温湿度控制系统已迫在眉睫，对于推进我国农业智能化进程具有极为重要的意义，同时也具有很大的市场商机计。本系统是以单片机为核心，配合数字温度传感器、模拟湿度传感器以及报警、显示
3、等相关的电路组成。可以接收所测环境的温度、湿度，检测人员可以通过显示的数据，实时监控环境的温度、湿度情况。所有的测量操作都可以通过主机控制软件来实现。由温度传感器、湿度传感器得到的测量信号，经电路传送到单片机进行数据处理，通过软件分析处理后送到显示装置，CPU根据检测到的温度、湿度结果，判断这时的温度、湿度是否在开始设定好的范围内，若不在，启动系统的报警器进行蜂鸣报警。3第1章 绪 论目前，在生活和生产的各个领域中，在许多情况下都要对环境的温湿度进行限定，其中包括人的生活工作环境、仪器设备的工作环境以及动植物的生长环境等。随着人民生活的改善和工业的发展，安全问题就变的更加重要。环境的温湿度一旦
4、超过限定值，势必会对所处环境的人或设备造成影响，更甚者会给个人和社会造成巨大的损失和社会影响。本课题主要介绍了以单片机AT89C52为核心的温湿度测量系统的硬件设计,现场温、湿度信号采集分别使用单线数字温度传感器DS18B20和湿度传感器HIH-4000。从测试现场采集到的温、湿度信号经A/D转换器TLC1549送单片机进行处理，经单片机处理后的信号通过接口芯片MAX1483与上位机相连进行串行通信，从而实现了现场温、湿度信号准确采集。CPU根据检测到的温度、湿度结果，判断这时的温度、湿度是否在开始设定好的范围内，若不在，启动系统的报警器进行蜂鸣报警。1.1课题的背景及意义温度和湿度是现代生产
5、生活中重要的被控参数，特别在仓库、食品储运、医疗卫生事业、图书馆文物档案管理、建筑验收等行业中，更具有举足轻重的作用。对于不同的场所，所需要的温湿度高低范围不同、精度不同，所采用的测量元器件也就不同，另外测量的方法以及对其控制的方式也有所不同；产品工艺不同、控制精度不同、时效不同，则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同，因而，对温湿度的测控方式是多种多样的。对温湿度数据进行长期记录和控制，在很多制造过程、存储、运输、观测和试验应用中都是非常必要的。准确测量监控温湿度数值的变化对一些材料和物品的安全提供了重要保障，尤其在药品和食品行业。温湿度测量是现代测量新发展出来的一个领域，尤其是湿度的测量
6、更是不断前进。温度是个独立的被测量，湿度要受到大气压强和温度的影响，经历了伸缩法、干湿球法、泠凝法露点法、氯化锂法露点法、电阻法、电容法、电解法，使湿度测量技术日渐成熟。时至今日，由于我们不再满足于单独的温度或湿度的测量，尤其是一些场所的监控直接要求实时记录其全过程温湿度变化，并依据这些变化认定生产过程的安全性，提高产品质量。在温湿度测量系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用，单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中成为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。在工业生产如：用于热处理的加热炉、用于融
7、化金属的坩锅电阻炉等，在日常生活中如：热水器、电热毯、温室温湿度控制等等，都用到了单片机的控制原理。随着生产的发展，在工业中，上述设备对温湿度的控制要求越来越高，随着人们生活水平的提高，对日常用品的自动化也提出了更高的要求，单片机的不断更新换代，满足了上述的要求，达到自动控制品质的目的。1.2课题在国内（外）现状及发展趋势科学技术的发展与测量技术的发展是密切相关的。测量技术达到的水平愈高，则科学技术上的成就会愈加深广。而科学技术的发展，特别是新材料、新结构的传感器研制成功，以及微型计算机的广泛开发，在测量系统的准确性、快速性、可靠性和抗干扰性等方面发挥了明显作用。传感器属于信息技术的前沿尖端产
8、品，被广泛用于工农业生产、国防、科研和生活领域。温湿度测量系统的主要不同之处在于所选用的传感器。温度和湿度传感器按照输出信号的类型分类都可分为模拟式传感器和数字式传感器。采用模拟式传感器的温湿度采集系统电路繁琐，得到的数据精度由于A/D转换等原因不可能提高，另外模拟信号在长距离的传输过程中，抗电磁干扰能力较弱，会对测量结果造成误差。数字式传感器不仅不存在上述问题，同时对系统的设计带来了极大方便。在本设计中，将采用数字式温度传感器和模拟式湿度传感器。由于本设计中要同时对温度和湿度进行测量，可以采用两个独立的传感器，即温度传感器和湿度传感器，分别检测温度和湿度。5温湿度传感器正朝着集成化、智能化、
9、系统化的方向发展，与此同时，温湿度传感器正从分立元件向集成化、智能化、系统化的方向迅速发展，为开发新一代温湿度测控系统创造了有利条件。在温湿度测量系统中普遍采用线性化处理、自动温度补偿和自动校准湿度等项新技术。温湿度测量系统的研究具有广阔的前景，将会给人类带来巨大的经济效益和社会效益，它不仅推动企业技术进步，也会推动人类在其他领域的进步。随着控制技术的不断发展,PID调节成为主要的控制策略，它是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单，鲁棒性好，可靠性高等优点，被广泛用于工业工程控制。各个应用场合的温度和湿度都在一定范围内波动，由于它们的热容量很大，温度和湿度的动态响应惯性大，是一个非线性、
10、大滞后的复杂系统，所以既难测，难控，又难以获得精确的数学模型，采用传统PID控制方法难以达到人们提出的控制要求，随着智能控制理论的发展，智能控制与常规的PID控制相组合，形成所谓的智能PID控制，这种新型的控制器已得到广泛的应用，它具有不依赖精确数学模型的特点，对系统的参数变化具有更好的鲁棒性。模糊控制正成为越来越热门的控制技术。模糊控制器不依赖于对象的模型，但是其自适应能力有限，调整比较困难，需要经验丰富的专家或设计者。自适应控制是在控制对象未知的情况下，或者控制对象的参数发生变化时调整控制器的控制方法或参数，使控制系统达到预定的控制品质，自适应PID控制具有自适应控制和普通PID控制器两方
11、面的优点。它有自动辩识被控过程参数，自动整定控制器参数，能够适应被控过程参数的变化等一系列优点，它又具有PID控制器结构简单，鲁棒性好，可靠性高，为现场工作人员和设计工程师们所熟悉的优点，自适应PID控制中要求系统能够根据被测参数，环境及原材料的成本的变化而自动对系统进行调节，使系统随时处于最佳状态，因此它是微机控制系统的发展方向。1.3 课题的目的和主要内容 在温湿度测量系统的硬件设计中，设计者可能会根据不同的现场环境采用不同原理的传感器来设计采集系统，若采用的传感器工作原理上有很大的不同，则系统的设计方案和结构也有很大的差异。这样就造成不必要的重复性劳动以及物力财力上的浪费。基于此考虑，本
12、课题尝试设计一种通用的温湿度检测系统，根据不同的检测环境，只需要更换不同型号的传感器并调整与之相适应的参数即可完成不同环境的检测。本设计的主要内容有：1）比较目前常用的温湿度检测方案，选择满足系统要求的方案。2）以ATMEL公司的AT89C52为核心，设计其外围工作电路。3）完成键盘输入、LED显示、存储器及RS485串行通信等外围电路的设计。4）根据系统方案和硬件结构来设计软件系统，使用KEIL开发环境来编写和调试汇编源代码，完成指定的功能。第2章 系统方案比较及确定2.1 方案的比较 温湿度采集系统的主要不同之处在于所选用的传感器，所选用的传感器不同，系统的设计方案将会有很大的不同。温度和
13、湿度传感器按照输出信号的类型分类都可分为模拟式传感器和数字式传感器。由于本设计中要同时对温度和湿度进行测量，这样还将对采用两个分立的传感器和采用集成温湿度传感器这两种方案进行比较。2.1.1 采用模拟式传感器和数字式传感器的比较模拟传感器输出的信号是模拟量信号，对于温度传感器，模拟式传感器的一般输出与温度成一定关系的电阻值或电压差；对于模拟量输出的湿度传感器，可分为电阻和电容式两种，产品的基本形式都为在基片涂覆感湿材料形成感湿膜，其中以电容式湿度传感器最为常见。数字式传感器输出的信号是数字量信号，数字式湿度传感器一般都是带温度补偿和频率转换的，用户将不必再关心传感器与CPU之间的连接问题，而只
14、要掌握此类传感器的数据读写操作即可。采用模拟式传感器的温湿度采集系统电路繁琐，得到的数据精度由于A/D转换等原因不可能提高，另外模拟信号在长距离的传输过程中，抗电磁干扰能力较弱，会对测量结果造成误差。数字式传感器不仅不存在上述问题，同时对系统的设计带来了极大方便。通过比较，在本设计中，采用数字式温度传感器和模拟式湿度传感器。 2.1.2 采用两个分立的传感器和采用集成温湿度传感器的比较很多时候，温度和湿度都是分开进行检测的，日常生活中，可以看到温度采集系统或湿度采集系统。但在本设计中，将对温度和湿度进行同时检测。这样，在系统设计中，可以采用两个单独的传感器，即温度传感器和湿度传感器。也可以采用
15、集成了温度传感器和湿度传感器的一个传感器。综合考虑，本设计采用两个分立的传感器。122.1.3 控制器的选择单片机是设计中的核心部分，有了它可以编出不同的程序。单片机种类很多，包括Microchip公司的PIC系列单片机，Motorola公司的M68系列单片机，其中最常用的单片机是Intel 公司的51系列单片机，它包括8031、8051、8751等几种类型。由于8031片内不带程序存储器ROM，使用时需要扩展外部程序存储器，首先浪费了一些口线，其次增加了产品的开发和生产成本。而且用户若想对EPROM中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯照射将其内容擦除之后才可写入。这种擦除方式延长了实
16、验中程序调试的时间，即延长了开发周期。8051片内有4K的ROM，虽然无须扩展外部存储器，但是自己无法将程序烧写到其ROM中，只能由芯片厂商代工，并且是一次性的。因此其不适合产品的开发与设计，只适合产品的成批量生产。8751与8051基本一样，但8751片内有4K的EPROM，用户可以将自己编写的程序写入单片机的EPROM中，但EPROM改写同样需要用紫外线灯照射一定时间擦除后再烧写，在系统开发中同样不适用。在众多的51系列单片机中，较为常用的是ATMEL 公司的AT89C51单片机，因它不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，使用专用的编程器就可以随时对单片机进行擦除和编写程序。其片内还有128字节的随机存取数据存储器。显而易见，这种单片机对开
